TWI715304B - 差動式光學測距儀 - Google Patents

Abstract

一種差動式光學測距儀，適用於量測一待測物件的移動量。該差動式光學測距儀包含一雷射光源、一共振腔、一分光鏡，及二光感測單元。該雷射光源能產生一光源。該共振腔設置於該雷射光源下游，包括二相間隔設置的透射反射板，其中遠離該雷射光源的該透射反射板設置在該待測物件上，而能隨該待測物件移動。該分光鏡設置在該共振腔下游。該等光感測單元設置於該分光鏡下游，每一個該光感測單元包括一子分光鏡及二光感測元件，該光源可經由該分光鏡透射至該等子分光鏡而進入該等光感測元件中。

Description

差動式光學測距儀

本發明是有關於一種光學測距儀，特別是指一種能在量測物件移動後，直接以光路消除直流項訊號的差動式光學測距儀。

在精密工業與光電產業中，常透過非接觸式的光學測距儀進行物件移動的距離，此種量測方式具有量測範圍廣泛、測量快速，及量測精度高等優點。

舉例而言，光學測距儀在精密工業應用上，可對一待測物件的移動距離進行檢測，然而，現有的光學測距儀在量測該待測物件的移動距離後，其量測結果需要再額外設置電路系統來消除量測結果中會影響判斷誤差的直流項訊號。因此，開發出一種無須透過額外設置電路系統即可藉由光路的安排與差動式的訊號處理方式，消除量測訊號的直流偏移，是本領域技術人員待解決的重要課題。

因此，本發明的目的，即在提供一種差動式光學測距儀。

於是，本發明差動式光學測距儀適用於量測一待測物件的移動量，該差動式光學測距儀的其中一態樣包含一雷射光源、一共振腔、一分光鏡，及二光感測單元。

該雷射光源能產生一光源。該共振腔設置於該雷射光源下游，包括二相間隔設置的透射反射板，其中遠離該雷射光源的該透射反射板設置在該待測物件上，而能隨該待測物件移動。該分光鏡設置在該共振腔下游。該等光感測單元設置於該分光鏡下游，每一個該光感測單元包括一子分光鏡及二光感測元件，該光源可經由該分光鏡透射至該等子分光鏡而進入該等光感測元件中。

該差動式光學測距儀的其中另一態樣包含一雷射光源、一第一波長延遲片、一第一分光鏡、一共振腔、一第二分光鏡，及二光感測單元。

該雷射光源能產生一光源。該第一波長延遲片設置在該雷射光下游。該第一分光鏡設置在該第一波長延遲片下游。該共振腔設置於該第一分光鏡下游，包括二相間隔設置的透射反射板，其中遠離該第一分光鏡的該透射反射板設置在該待測物件上，而能隨該待測物件移動。該第二分光鏡設置在該第一分光鏡下游，而與該共振腔位在不同側。該等光感測單元設置於該分光鏡下游，每一個該光感測單元包括一子分光鏡及二光感測元件，該光源可經由該分 光鏡透射至該等子分光鏡而進入該等光感測元件中。

本發明之功效在於，基於共光程的干涉光路，並透過架設四個該光感測元件，在量測時，能同時量測到四組具有直流項與具有相位差為180度的交流項的訊號，透過彼此運算後可直接消除直流項，不用透過後續額外設置電路系統做消除，以提高檢測效率。

10:待測物件

2:發光測頭

21:雷射光源

22:光源隔離器

23:共振腔

231:透射反射板

232:透射反射板

24:波長延遲片

241:第一波長延遲片

242:第二波長延遲片

3:接收測頭

31:分光鏡

311:第一分光鏡

312:第二分光鏡

32:光感測單元

321:子分光鏡

322:光感測元件

4:處理單元

5:發光接收測頭

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一俯視示意圖，說明本發明差動式光學測距儀的一第一實施例；及圖2是一俯視示意圖，說明本發明差動式光學測距儀的一第二實施例。

在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明差動式光學測距儀的一第一實施例，適用於量測一待測物件10的移動量。該差動式光學測距儀包含一發光測頭2、一位在該發光測頭2下游並設置在該待測物件10上的透射 反射板232、一位在該透射反射板232下游的接收測頭3，及一與該接收測頭3連接的處理單元4。

該待測物件10設置在該發光測頭2與該接收測頭3之間，且透過將該透射反射板232設置在該待物件10，以隨該待測物件10移動，使該發光測頭2發出的光源經該透射反射板232傳遞至該接收測頭3與該處理單元4進行處理運算，從而量測該待測物件10的移動量。

該發光測頭2包括一雷射光源21、一位於該雷射光源21下游的光源隔離器(isolator)22、一位於該光源隔離器22下游的透射反射板231，及一位於該透射反射板231下游的波長延遲片24。該雷射光源21可以是例如一氦氖雷射(He-He Laser)發射器，其產生的光源為線偏振光，並行進通過該光源隔離器22，透過該光源隔離器22的設置能用以防止逆回的光干擾該雷射光源21。

該發光測頭2的該透射反射板231與位在該待測物件10上的該透射反射板232可共同構成一共振腔23，且該波長延遲片24位在該等透射反射板231、232之間。透過該等透射反射板231、232與該波長延遲片24的設置，讓該雷射光源21產生的光源可因該共振腔23多次的來回反射形成多道具有相位差的光，從而因干涉作用形成干涉光。於本實施例中，該等透射反射板231、232是在一玻璃平板上鍍膜而構成，該波長延遲片24則是使用具有相位延遲功 能的四分之一波片，但不以此為限。

該接收測頭3包括一位在由該等透射反射板231、232構成的該共振腔23的下游的分光鏡31，及二光感測單元32；其中，該等光感測單元32分別位在該分光鏡31的相鄰兩側，使該雷射光源21產生的光源經該分光鏡31產生二相互垂直的分光能分別行進至該等光感測單元32中。

詳細地說，每一個該光感測單元32包括一子分光鏡321及二光感測元件322，該雷射光源21產生的光源可經由該分光鏡31透射至該等子分光鏡321而進入該等光感測元件322中。當該等光感測元件322接收到該光源，用以量測該光源的光強度時，可在該處理單元4中得到該等光感測元件322對應量測得到光強度的電壓訊號，且相鄰的該等光感測元件322的該等訊號的相位差為180度；也就是說，該等光感測單元32共有四個光感測元件322而會得到四個訊號，且每一組的光感測單元32中的兩個該光感測元件322的訊號的相位差相差180度。本實施例中該處理單元4是以一減法器為例作說明。

以本實施例來說，同一組的兩個該光感測元件322量測得到的對應光強度的電壓訊號中的交流項部份為+sin訊號與-sin訊號，而另一組的兩個光感測元件322的交流項部則為+cos與-cos的訊號，該等光感測元件322所量測得到的訊號可分別以下公 式(1)~公式(4)所示：I₁=I_DC12+Asin的……………………………………………(1)

I₂=I_DC12-Asin………………………………………………(2)

I₃=I_DC34+Acos………………………………………………(3)

I₄=I_DC34-Acos………………………………………………(4)

每一該光感測元件322接受到的訊號分別具有直流項與交流項，其中，直流項訊號是容易造成判斷誤差，因此需要進行消除，由於該等光感測元件322接收得到得的交流項其相位差分別為180度，因此，直接透過在該處理單元4運算處理，也就是將該公式(1)減去該公式(2)，而該公式(3)減去該公式(4)，分別得到該公式(5)與該公式(6)I₁-I₂=2Asin公……………………將該公

I₃-I₄=2Acos公……………………將該公

由該公式(5)與該公式(6)可知，經運算後，可以得到僅有交流項訊號，由此可知，在本發明差動式光學測距儀透過分別設置四個光感測元件322的架構下，可在光路中直接消除直流項，無須於後續透過額外的電路系統來消除量測結果的直流項。

在實際的量測情況中，該第一實施例的該雷射光源21、該光源隔離器22、該共振腔23之鄰近該光源隔離器22的該透射反射板231，及該波長延遲片24是一同封裝在一測頭中而構成該發光 測頭2，該分光鏡31與該等光感測單元32則封裝在另一測頭中而構成該接收測頭3，該共振腔23之鄰近該等光感測單元32的該透射反射板232則是設置在該待測物件10上，也就是讓該待測物件10介於該發光測頭2與該接收測頭3之間，當要進行量測，置於該待測物件10上的該透射反射板232會跟著該待測物件10移動，由於該發光測頭2與該接收測頭3屬於固定設置，而位於能移動的該待測物件10兩側，因此，該第一實施例的差動式光學測距儀適用於短距離的量測。

參閱圖2，本發明差動式光學測距儀的一第二實施例大致相同於該第一實施例，該第二實施例與該第一實施例不同之處在於，該第二實施例是將第一實施例的該發光測頭2與該接收測頭3整合在一起而構成一發光接收測頭5、該共振腔23的設置位置不同，及該波長延遲片24與該分光鏡31分別為二個且設置位置也不同，也就是說，該第二實施例差動式光學測距儀還是將該波長延遲片24替換成一第一波長延遲片241及一第二波長延遲片242，而將該分光鏡31替換成一第一分光鏡311及一第二分光鏡312。

具體地說，該第一波長延遲片241設置在該光源隔離器22下游，該第一分光鏡311設置在該第一波長延遲片241下游，且該共振腔23設置在該第一分光鏡311下游，該第二分光鏡312設置在該第一分光鏡311下游，並與該共振腔23位於不同側，該等光感 測單元32則是設置在該第二分光鏡312下游；其中，該共振腔23之遠離該第一分光鏡311的該透射反射板232是設置在該待測物件10上，而能隨該待測物件10移動，且該等光感測單元32分別位在該第二分光鏡312相鄰兩側，使該雷射光源21產生的該光源經該第一分光鏡311，進入該第二分光鏡312產生二相互垂直的分光能分別行進至該等光感測單元32內。

詳細地說，在實際的量測情況中，該第二實施例的該雷射光源21、該光源隔離器22、該第一波長延遲片241、該第一分光鏡311、該第二分光鏡312、該等光感測單元32，及該共振腔23之鄰近該第一分光鏡311的該透射反射板231是一同封裝在一測頭中，而構成該發光接收測頭5。該共振腔23之另一該透射反射板232置於待測物件10上，當要進行量測，該透射反射板232會跟著該待測物件10移動，由於該發光接收測頭5是與設置在該待測物件10上的該透射反射板232彼此間隔設置，使得僅有單個該發光接收測頭5是相對於會移動的該待測物件10設置，因此，該第二實施例適用於長距離的量測。要說明的是，該第二實施例也是與該第一實施例都設置有四個光感測元件322，因此，也能在光路中直接消除直流項，相關運算相同於該第一實施例，於此不加以贅述。

綜上所述，本發明差動式光學測距儀，透過共振腔23搭配波長延遲片24來形成干涉光並搭配該分光鏡31，及架設四個該 光感測元件322，在量測時，能同時量測到四組具有直流項與相位差為180度的交流項的訊號，透過彼此運算後可直接消除直流項，以此架構的光學測距儀，能直接在光路消除直流項，不用透過後續額外設置電路系統做消除，以提高檢測效率，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

10:待測物件

2:發光測頭

21:雷射光源

22:光源隔離器

23:共振腔

231:透射反射板

232:透射反射板

24:波長延遲片

3:接收測頭

31:分光鏡

32:光感測單元

321:子分光鏡

322:光感測元件

4:處理單元

Claims (8)

1. 一種差動式光學測距儀，適用於量測一待測物件的移動量，該差動式光學測距儀包含： 一雷射光源，能產生一光源； 一共振腔，設置於該雷射光源下游，包括二相間隔設置的透射反射板，其中遠離該雷射光源的該透射反射板設置在該待測物件上，而能隨該待測物件移動； 一分光鏡，設置在該共振腔下游；及 二光感測單元，設置於該分光鏡下游，每一個該光感測單元包括一子分光鏡及二光感測元件，該光源可經由該分光鏡透射至該等子分光鏡而進入該等光感測元件中。
2. 如請求項1所述的差動式光學測距儀，其中，該等光感測單元分別位在分光鏡的相鄰兩側，使該光源經該分光鏡產生二相互垂直的分光能分別行進至該等光感測單元。
3. 如請求項1所述的差動式光學測距儀，還包含一位在該雷射光源與該共振腔之間的光源隔離器，及一位在該等透射反射板之間的波長延遲片。
4. 如請求項3所述的差動式光學測距儀，其中，該雷射光源、該光源隔離器、鄰近該光源隔離器的該透射反射板，及該波長延遲片共同構成一發光測頭，該分光鏡及該等光感測單元共同構成一接收測頭，該差動式光學測距儀還包括一連接該接收測頭的處理單元。
5. 一種差動式光學測距儀，適用於量測一待測物件的移動量，該差動式光學測距儀包含： 一雷射光源，能產生一光源； 一第一波長延遲片，設置在該雷射光下游； 一第一分光鏡，設置在該第一波長延遲片下游； 一共振腔，設置於該第一分光鏡下游，包括二相間隔設置的透射反射板，其中遠離該第一分光鏡的該透射反射板設置在該待測物件上，而能隨該待測物件移動； 一第二分光鏡，設置在該第一分光鏡下游，而與該共振腔位在不同側；及 二光感測單元，設置於該第二分光鏡下游，每一個該光感測單元包括一子分光鏡及二光感測元件，該光源可經由該共振腔反射至該第二分光鏡透射至該等子分光鏡而進入該等光感測元件中。
6. 如請求項5所述的差動式光學測距儀，其中，該等光感測單元分別位在該第二分光鏡的相鄰兩側，使該光源經該第二分光鏡產生二相互垂直的分光能分別行進至該等光感測單元。
7. 如請求項5所述的差動式光學測距儀，其中，還包含一位在該雷射光源與該第一波長延遲片之間的光源隔離器，及一位在該等透射反射板之間的第二波長延遲片。
8. 如請求項7所述的差動式光學測距儀，其中，該雷射光源、該第一波長延遲片、該第一分光鏡、鄰近該第一分光鏡的該透射反射板、該第二波長延遲片、該第二分光鏡，及該光感測單元共同構成一發光接收測頭，該差動式光學測距儀還包括一連接該發光接收測頭的處理單元。

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